Новое предположение о том, что сложность увеличивается со временем не только в живых организмах, но и в неживом мире, обещает переписать научные представления о времени и эволюции

В 1950 году итальянский физик Энрико Ферми обсуждал со своими коллегами возможность существования разумной инопланетной жизни. По его словам, если инопланетные цивилизации существуют, то у некоторых из них наверняка было достаточно времени, чтобы распространиться по космосу. Так где же они?

Было предложено множество ответов на «парадокс Ферми»: возможно, инопланетные цивилизации затухают или уничтожают себя прежде, чем у них получается стать межзвёздными странниками. Но, возможно, самый простой ответ заключается в том, что такие цивилизации вообще не появляются: разумная жизнь крайне маловероятна, и мы задаёмся этим вопросом только потому, что являемся крайне редким исключением.

Новое предложение междисциплинарной группы исследователей ставит под сомнение этот мрачный вывод. Они предложили не что иное, как новый закон природы, согласно которому сложность сущностей во Вселенной возрастает со временем с неумолимостью, сравнимой со вторым законом термодинамики — законом, который диктует неизбежный рост энтропии, меры беспорядка. Если они правы, то сложная и разумная жизнь должна быть широко распространена.

С этой новой точки зрения биологическая эволюция предстаёт не как уникальный процесс, который привёл к появлению качественно иной формы материи — живых организмов. Вместо этого эволюция — это особый (и, возможно, неизбежный) случай более общего принципа, управляющего Вселенной. Согласно этому принципу, сущности отбираются потому, что они более богаты информацией, позволяющей им выполнять определённую функцию.

Эта гипотеза, сформулированная минералогом Робертом Хейзеном и астробиологом Майклом Вонгом из Института Карнеги в Вашингтоне вместе с группой других учёных, вызвала бурные дискуссии. Некоторые исследователи приветствуют эту идею как часть грандиозного описания фундаментальных законов природы. Они утверждают, что основные законы физики не являются «полными», то есть не дают нам всё, что нужно для понимания природных явлений; скорее, эволюция — биологическая или иная — привносит функции и новшества, которые даже в принципе невозможно предсказать на основе одной лишь физики. «Я так рад, что они сделали то, что сделали, — сказал Стюарт Кауффман, заслуженный теоретик сложности из Пенсильванского университета. — Они придали этим вопросам легитимность».

Другие утверждают, что распространение эволюционных представлений о функциях живых организмов на неживые системы — это перебор. Количественная величина, которой измеряется информация в этом новом подходе, не только относительна — она меняется в зависимости от контекста, её просто невозможно вычислить. По этой и другим причинам критики утверждают, что новую теорию нельзя проверить, и поэтому она бесполезна.

Работа является частью всё более популярной дискуссии о том, как биологическая эволюция вписывается в обычные рамки науки. Дарвиновская теория эволюции путём естественного отбора помогает нам понять, как изменялись живые существа в прошлом. Но, в отличие от большинства научных теорий, она не может предсказать, что будет дальше. Может быть, встраивание её в метазакон возрастающей сложности позволит нам заглянуть в будущее?

Создавая смысл

История началась в 2003 году, когда биолог Джек Шостак опубликовал в журнале Nature небольшую статью, в которой предложил концепцию функциональной информации. Шостак, который шесть лет спустя получит Нобелевскую премию за работу, не имеющую отношения к данной теме, хотел количественно оценить объём информации или сложность, которую несут в себе биологические молекулы, такие как белки или нити ДНК. Классическая теория информации, разработанная исследователем телекоммуникаций Клодом Шенноном в 1940-х годах и позже усовершенствованная русским математиком Андреем Николаевичем Колмогоровым, предлагает один из ответов. По мнению Колмогорова, сложность строки символов (например, двоичных 1 и 0) зависит от того, насколько кратко можно однозначно описать эту последовательность.

Например, рассмотрим ДНК, которая представляет собой цепочку из четырёх различных строительных блоков, называемых нуклеотидами. Нить, состоящая только из одного нуклеотида, повторяющегося снова и снова, имеет гораздо меньшую сложность — и, следовательно, кодирует меньше информации — чем нить, состоящая из всех четырёх нуклеотидов, в которой их последовательность кажется случайной (что более характерно для генома).

Но Шостак отметил, что колмогоровская мера сложности игнорирует важнейший для биологии вопрос: как функционируют биологические молекулы.

В биологии иногда много разных молекул могут выполнять одну и ту же работу. Рассмотрим молекулы РНК, некоторые из которых выполняют биохимические функции, легко поддающиеся определению и измерению. (Как и ДНК, РНК состоит из последовательностей нуклеотидов.) В частности, короткие нити РНК, называемые аптамерами, надёжно связываются с другими молекулами.

Допустим, вы хотите найти РНК-аптамер, который связывается с определённой молекулой-мишенью. Сможет ли это сделать множество аптамеров или только один? Если только один аптамер может справиться с этой задачей, то он уникален, как уникальна длинная, кажущаяся случайной последовательность букв. Шостак говорит, что этот аптамер будет содержать много того, что он называет «функциональной информацией».

Если множество различных аптамеров могут выполнять одну и ту же задачу, то их функциональная информация будет гораздо меньше. Поэтому мы можем рассчитать функциональную информацию молекулы, ответив на вопрос, сколько других молекул того же размера могут выполнить ту же задачу так же хорошо.

Далее Шостак показал, что в подобных случаях функциональную информацию можно измерить экспериментально. Он создал кучу РНК-аптамеров и с помощью химических методов определил и выделил те из них, которые связывались с выбранной молекулой-мишенью. Затем он немного мутировал победителей, чтобы найти ещё более эффективные связующие звенья, и повторил процесс. Чем лучше связывается аптамер, тем меньше вероятность того, что другая молекула РНК, выбранная наугад, будет работать так же хорошо: функциональная информация победителей в каждом раунде должна расти. Шостак обнаружил, что функциональная информация наиболее эффективных аптамеров всё больше приближается к максимальному значению, предсказанному теоретически.

Избранные для функционирования

Хейзен наткнулся на идею Шостака, размышляя о происхождении жизни — вопрос, который привлёк его как минералога, поскольку давно предполагается, что химические реакции, происходящие в минералах, сыграли ключевую роль в зарождении жизни. «Я пришёл к выводу, что говорить о жизни и нежизни — это ложная дихотомия, — говорит Хейзен. — Я чувствовал, что должен существовать некий континуум — должно быть что-то, что движет этим процессом от более простых к более сложным системам». Функциональная информация, по его мнению, давала возможность понять «возрастающую сложность всех видов эволюционирующих систем».

В 2007 году Хейзен в сотрудничестве с Шостаком написал компьютерную симуляцию с использованием алгоритмов, развивавшихся посредством мутаций. В данном случае их функция заключалась не в связывании с молекулой-мишенью, а в выполнении вычислений. И снова они обнаружили, что функциональная информация спонтанно увеличивается со временем по мере эволюции системы.

На этом этапе идея заглохла на долгие годы. Хейзен не мог понять, как продвинуть её дальше, пока Вонг не начал получать жалование в Институте Карнеги в 2021 году. Вонг занимался планетарными атмосферами, но они с Хейзеном обнаружили, что думают над одними и теми же вопросами. «С самого первого момента, когда мы сели и обсудили наши идеи, это казалось невероятным», — говорит Хейзен.

«Я разочаровался в нынешнем состоянии поисков жизни на других мирах, — говорит Вонг. — Мне казалось, что этот процесс слишком узко ограничен таким видом жизни, какой мы видим на Земле, но жизнь в других местах может идти по совершенно другой эволюционной траектории. Как же абстрагироваться от жизни на Земле настолько далеко, чтобы мы смогли заметить жизнь в другом месте, даже если она будет иметь другие химические особенности, но не настолько далеко, чтобы мы не стали включать сюда различные виды самоорганизующихся структур типа ураганов?»

Вскоре пара поняла, что им нужны специалисты из совершенно других дисциплин. «Нам нужны были люди, которые подходили бы к этой проблеме с совершенно разных точек зрения, чтобы мы могли сдерживать предрассудки друг друга, — говорит Хейзен. — Это не минералогическая проблема, не физическая и не философская. Это все вместе».

Они подозревали, что функциональная информация — это ключ к пониманию того, как сложные системы, такие как живые организмы, возникают в результате эволюционных процессов, протекающих с течением времени. «Мы все полагали, что стрелу времени обеспечивает второй закон термодинамики, — говорит Хейзен. — Но, похоже, существует гораздо более идиосинкразический путь, по которому движется Вселенная. Мы думаем, что это происходит из-за отбора по функциям — очень упорядоченного процесса, который приводит к упорядоченным состояниям. Этот процесс не является частью второго закона, хотя и не противоречит ему».

Если посмотреть на это с другой стороны, то концепция функциональной информации позволила команде задуматься о развитии сложных систем, которые, казалось бы, совсем не связаны с жизнью.

На первый взгляд, это не слишком перспективная идея. В биологии функция имеет смысл. Но что будет «функцией» камня?

По словам Хейзена, всё, что под этим подразумевается, — это то, что некий селективный процесс отдаёт предпочтение одной структуре перед множеством других потенциальных комбинаций. Из кремния, кислорода, алюминия, кальция и так далее может образоваться огромное количество различных минералов. Но лишь некоторые из них встречаются в любой конкретной среде. Наиболее устойчивые минералы оказываются самыми распространёнными. Но иногда менее стабильные минералы сохраняются, потому что не хватает энергии для их преобразования в более стабильные фазы.

Это может показаться тривиальным, всё равно что сказать, что одни объекты существуют, а другие — нет, даже если теоретически они могут существовать. Но Хейзен и Вонг показали, что даже в минералах функциональная информация увеличивалась на протяжении истории Земли. Минералы эволюционируют в сторону большей сложности (хотя и не в дарвиновском смысле). Хейзен и его коллеги предполагают, что сложные формы углерода, такие как графен, могут образовываться в богатой углеводородами среде луны Сатурна Титана — ещё один пример увеличения функциональной информации, не связанный с жизнью.

То же самое происходит и с химическими элементами. Первые мгновения после Большого взрыва были наполнены недифференцированной энергией. По мере охлаждения образовались кварки, которые затем сконденсировались в протоны и нейтроны. Они собрались в ядра атомов водорода, гелия и лития. Только когда звёзды сформировались и в них произошёл ядерный синтез, образовались более сложные элементы, такие как углерод и кислород. И только когда некоторые звёзды исчерпали своё термоядерное топливо, их коллапс и взрыв в сверхновых привели к образованию более тяжёлых элементов, таких как тяжёлые металлы. Постепенно элементы становились все сложнее.

По словам Вонга, из их работы следуют три основных вывода.

Во-первых, биология — это лишь один из примеров эволюции. «Существует более универсальное описание, которое управляет эволюцией сложных систем».

Во-вторых, по его словам, может существовать «стрела времени, которая описывает эту возрастающую сложность», подобно тому, как второй закон термодинамики, описывающий увеличение энтропии, по некоторым предположениям создаёт предпочтительное направление времени.

Наконец, по словам Вонга, «сама информация может быть жизненно важным параметром космоса, таким же, как масса, заряд и энергия».

В работе, в которой Хейзен и Шостак изучали эволюцию с помощью алгоритмов искусственной жизни, увеличение функциональной информации не всегда происходило постепенно. Иногда оно происходило внезапными скачками. Это перекликается с тем, что наблюдается в биологической эволюции. Биологи давно заметили переходные этапы, когда сложность организмов резко возрастает. Одним из таких переходов было появление организмов с клеточным ядром (примерно 1,8-2,7 миллиарда лет назад). Затем произошёл переход к многоклеточным организмам (около 2 миллиардов — 1,6 миллиарда лет назад), резкая диверсификация форм тел во время Кембрийского взрыва (540 миллионов лет назад) и появление центральной нервной системы (около 600 миллионов — 520 миллионов лет назад). Появление человека, вероятно, стало ещё одним крупным и быстрым эволюционным переходом.

Эволюционные биологи склонны рассматривать каждый из этих переходов как случайное событие. Но в рамках функционально-информационной концепции кажется возможным, что такие скачки в эволюционных процессах (неважно, биологических или нет) неизбежны.

В этих скачках Вонг видит, как эволюционирующие объекты получают доступ к совершенно новому ландшафту возможностей и способам стать организованными, как будто они переходят «на следующий уровень». Важно, что главное — критерии отбора, от которых зависит продолжение эволюции, — также меняется, прокладывая совершенно новый курс. На следующем этаже вас ждут возможности, о которых вы и предположить не могли.

Например, во время зарождения жизни изначально было важно, чтобы протобиологические молекулы сохранялись в течение длительного времени — они должны были быть стабильными. Но когда такие молекулы стали объединяться в группы, способные катализировать образование друг друга — то, что Кауффман назвал автокаталитическими циклами, — то сами молекулы уже могли оставаться недолговечными, лишь бы циклы сохранялись. Теперь важна динамическая, а не термодинамическая стабильность. Рикард Соле из Института Санта-Фе считает, что такие скачки могут быть эквивалентны фазовым переходам в физике, таким как замерзание воды или намагничивание железа: это коллективные процессы с универсальными характеристиками, и они означают, что меняется всё, везде и сразу. Другими словами, с этой точки зрения существует своеобразная физика эволюции — и об этой физике мы уже кое-что знаем.

Биосфера создаёт свои собственные возможности

Сложность функциональной информации заключается в том, что, в отличие от таких показателей, как размер или масса, она контекстуальна: она зависит от того, что мы хотим, чтобы делал объект, и от того, в какой среде он находится. Например, функциональная информация для РНК-аптамера, связывающегося с определённой молекулой, как правило, будет сильно отличаться от информации для связывания с другой молекулой.

Однако поиск новых применений для существующих компонентов — это именно то, чем занимается эволюция. Например, перья появились не для того, чтобы летать. Это перепрофилирование отражает то, как биологическая эволюция собирает новую функциональность из того, что есть «под рукой».

Кауффман утверждает, что биологическая эволюция постоянно создаёт не только новые типы организмов, но и новые возможности для организмов, которые не только не существовали на более ранних этапах эволюции, но и не могли существовать. Из супа одноклеточных организмов, составлявших жизнь на Земле 3 миллиарда лет назад, не мог внезапно возникнуть слон — для этого требовалось множество предшествующих, случайных, но специфических инноваций.

Однако теоретического предела для количества вариантов использования объекта не существует. Это означает, что появление новых функций в процессе эволюции невозможно предсказать — и все же некоторые новые функции могут диктовать сами правила того, как система будет развиваться в дальнейшем. «Биосфера сама создаёт свои возможности, — говорит Кауффман. — Мы не только не знаем, что произойдёт, но даже не знаем, что может произойти». Фотосинтез был таким же кардинальным преобразованием, каким стали эукариоты, нервная система и язык. Как сказали в 2011 году микробиолог Карл Вуз и физик Найджел Голденфельд: «Нам нужен дополнительный набор правил, описывающих эволюцию исходных правил. Но этот верхний уровень правил сам должен эволюционировать. В итоге мы получаем бесконечную иерархию законов».

Физик Пол Дэвис из Университета штата Аризона согласен с тем, что биологическая эволюция «порождает своё собственное расширенное пространство возможностей, которое нельзя надёжно предсказать или уловить с помощью какого-либо детерминированного процесса из предыдущих состояний. Поэтому жизнь частично эволюционирует в неизвестность».

С математической точки зрения, «фазовое пространство» — это способ описания всех возможных конфигураций физической системы, будь то сравнительно простой, как идеализированный маятник, или сложный, как все атомы, составляющие Землю. Дэвис и его коллеги недавно предположили, что эволюция в расширяющемся доступном фазовом пространстве может быть формально эквивалентна «теореме о неполноте», разработанной математиком Куртом Гёделем. Гёдель показал, что любая система аксиом в математике допускает формулировку утверждений, истинность или ложность которых в рамках этой системы невозможно доказать. Такие утверждения можно решить, только добавив новые аксиомы.

Дэвис и его коллеги утверждают, что, как и в случае с теоремой Гёделя, ключевым фактором, который делает биологическую эволюцию открытой и не позволяет нам выразить её в самодостаточном и всеохватывающем фазовом пространстве, является то, что она самореферентна: появление новых участников в этом пространстве опирается на уже существующих, создавая новые возможности для действия. Этого нельзя сказать о физических системах, которые, даже если в них есть, скажем, миллионы звёзд в галактике, не являются самореферентными.

«Повышение сложности открывает в будущем возможности для поиска новых стратегий, недоступных более простым организмам», — говорит Маркус Хейслер, биолог по развитию растений из Сиднейского университета и соавтор статьи о неполноте. По словам Дэвиса, эта связь между биологической эволюцией и проблемой невычислимости «лежит в самом центре магии жизни».

Является ли биология особенной среди эволюционных процессов в том плане, что она обладает открытостью, порождаемой самореференцией? Хейзен считает, что если к этому добавляется сложное познание — когда компоненты системы могут рассуждать, выбирать и проводить эксперименты «у себя в голове» — потенциал для макро-микро обратной связи и бессрочного роста становится ещё больше. «Технологические приложения выводят нас далеко за рамки дарвинизма», — говорит он. Зрячие часовщики делают часы ещё быстрее.

Назад к скамейке запасных

Если Хейзен и его коллеги правы в том, что эволюция с любым видом отбора неизбежно увеличивает функциональную информацию — по сути, сложность, — означает ли это, что появление самой жизни, а возможно, сознания и высшего разума, неизбежны во Вселенной? Это противоречит мнению некоторых биологов. Выдающийся эволюционный биолог Эрнст Майр считал, что поиски внеземного разума обречены, поскольку появление человекоподобного интеллекта «совершенно невероятно». В конце концов, говорил он, если интеллект такого уровня, который приводит к возникновению культур и цивилизаций, был настолько адаптивно полезен в дарвиновской эволюции, то как получилось, что он возник только один раз на всём древе жизни?

Эволюционная точка зрения Майра, возможно, исчезает при переходе к человекоподобной сложности и интеллекту, после чего всё игровое поле полностью меняется. Люди достигли планетарного господства так быстро (к лучшему или худшему), что вопрос о том, когда это произойдёт снова, становится чисто академическим.

Но как насчёт шансов на то, что такой скачок произойдёт вообще? Если новый «закон возрастания функциональной информации» верен, то, похоже, жизнь, если она существует, будет становиться всё сложнее и сложнее. Для этого необязательно полагаться на какую-то невероятную случайность.

Более того, такое усложнение, похоже, предполагает появление в природе новых причинно-следственных законов, которые, хотя и не противоречат фундаментальным законам физики, управляющим мельчайшими составными частями, фактически заменяют их в определении того, что происходит дальше. Возможно, мы уже наблюдаем это в биологии: апокрифический эксперимент Галилея по сбрасыванию двух масс с Пизанской башни уже не имеет предсказательной силы, когда в качестве масс выступают не пушечные ядра, а живые птицы.

Вместе с химиком Ли Кронином из Университета Глазго Сара Уолкер из Университета штата Аризона разработала альтернативный набор идей для описания возникновения сложности, названный теорией сборки. Вместо функциональной информации теория сборки опирается на число, называемое индексом сборки, который измеряет минимальное количество шагов, необходимых для создания объекта из составляющих его ингредиентов.

«Законы для живых систем должны быть несколько иными, чем те, что мы имеем сейчас в физике, — говорит Уолкер, — но это не значит, что таких законов не существует». Однако она сомневается, что предполагаемый закон функциональной информации может быть строго проверен в лабораторных условиях. «Я не уверена, как кто-то может утверждать, что [некая теория] верна или неверна, когда нет существует способа её объективно проверить, — сказала она. — Что бы искал эксперимент? Как бы его контролировали? Я бы хотела увидеть пример, но я по-прежнему скептически настроена, пока в этой области не проведут некую метрологию».

Хейзен признаёт, что для большинства физических объектов вычислить функциональную информацию невозможно даже в принципе. Даже для одной живой клетки, признаёт он, не существует способа её количественного определения. Но он утверждает, что это не является камнем преткновения, поскольку мы всё равно можем понять её концептуально и получить приблизительное количественное представление о ней. Точно так же мы не можем рассчитать точную динамику пояса астероидов, потому что гравитационная проблема слишком сложна, но мы можем описать её достаточно приблизительно, чтобы направлять через неё космические корабли.

Вонг видит потенциальное применение своих идей в астробиологии. Один из любопытных аспектов живых организмов на Земле заключается в том, что они, как правило, производят гораздо меньшее количество органических молекул, чем могли бы, имея базовые ингредиенты. Это происходит потому, что естественный отбор выбрал несколько наиболее предпочтительных соединений. Например, в живых клетках гораздо больше глюкозы, чем можно было бы ожидать, если бы молекулы создавались случайным образом или в соответствии с их термодинамической стабильностью. Так что одним из потенциальных признаков существования живых существ на других мирах могут быть подобные признаки отбора, выходящие за рамки того, что могла бы породить химическая термодинамика или кинетика. (Теория сборки аналогичным образом предсказывает биосигнатуры, основанные на сложности.)

Возможно, есть и другие способы проверить эти идеи на практике. Вонг говорит, что ещё предстоит проделать большую работу по эволюции минералов, и они надеются изучить нуклеосинтез и вычислительную «искусственную жизнь». Хейзен также видит возможные применения в онкологии, почвоведении и эволюции языка. Например, эволюционный биолог Фредерик Томас из Университета Монпелье во Франции и его коллеги утверждают, что селективные принципы, управляющие тем, как раковые клетки изменяются со временем в опухолях, не похожи на дарвиновскую эволюцию, в которой критерием отбора является приспособленность, а больше напоминают идею отбора по функциям, предложенную Хейзеном и его коллегами.

Команда Хейзена получает запросы от самых разных исследователей — от экономистов до неврологов, которые хотят узнать, может ли этот подход помочь им. «Люди обращаются к нам, потому что отчаянно пытаются найти модель для объяснения своей системы», — говорит Хейзен.

Но независимо от того, окажется ли функциональная информация правильным инструментом для осмысления этих вопросов, многие исследователи, похоже, сходятся во мнении относительно сложности, информации, эволюции (как биологической, так и космической), функции и цели, а также направленности времени. Трудно не заподозрить, что затевается что-то грандиозное. В этом есть отголоски первых дней термодинамики, которая начиналась со скромных вопросов о том, как работают машины, а в итоге заговорила о стреле времени, особенностях живой материи и судьбе Вселенной.